nginx 内存池分析
nginx 内存池 ngx_pool_t
nginx 是自己实现了内存池的,所以在nginx ngx_pool_t 这个结构也随处可见,这里主要分析一下内存池的分配逻辑。
内存池实现了包括小块内存、大块内存和清理资源几种资源的处理,应该来说覆盖了绝大数的使用场景了。
相关结构定义
// 大块内存
typedef struct ngx_pool_large_s ngx_pool_large_t;
struct ngx_pool_large_s {
ngx_pool_large_t *next; // 下一个大块内存池
void *alloc; // 实际分配内存
};
// 小块内存池
typedef struct {
u_char *last; // 可分配内存起始地址
u_char *end; // 可分配内存结束地址
ngx_pool_t *next; // 指向内存管理结构
ngx_uint_t failed; // 内存分配失败次数
} ngx_pool_data_t;
// 内存池管理结构
typedef struct ngx_pool_s ngx_pool_t;
struct ngx_pool_s {
ngx_pool_data_t d; // 小块内存池
size_t max; // 小块内存最大的分配内存,评估大内存还是小块内存
ngx_pool_t *current; // 当前开始分配的小块内存池
ngx_chain_t *chain; // chain
ngx_pool_large_t *large; // 大块内存
ngx_pool_cleanup_t *cleanup; // 待清理资源
ngx_log_t *log; // 日志对象
};
ngx_pool_t 是整个内存池的管理结构,这种结构对于个内存池对象来说可能存在多个,但是对于用户而言,第一下访问的始终是创建时返回的那个。多个 ngx_pool_t 通过 d.next
来进行连接,current
指向 当前开始分配的小块内存池,注意 ngx_pool_data_t 在内存池结构的起始处,可以进行类型转换访问到不同的成员。
实现
内存对齐
#define ngx_align(d, a) (((d) + (a - 1)) & ~(a - 1))
#define ngx_align_ptr(p, a) \
(u_char *) (((uintptr_t) (p) + ((uintptr_t) a - 1)) & ~((uintptr_t) a - 1))
参考 ngx_align 值对齐宏 分析,ngx_align_ptr
同理
创建内存池
max 的最大值为 4095,当从内存池中申请的内存大小大于 max 时,不会从小块内存中进行分配。
ngx_uint_t ngx_pagesize = getpagesize(); // Linux 上是 4096
#define NGX_POOL_ALIGNMENT 16
#define NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL (ngx_pagesize - 1) // 4095
ngx_pool_t *
ngx_create_pool(size_t size, ngx_log_t *log)
{
ngx_pool_t *p;
p = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, size, log); // 16 字节对齐申请 size 大小的内存
if (p == NULL) {
return NULL;
}
p->d.last = (u_char *) p + sizeof(ngx_pool_t); // 设置可分配内存的起始处
p->d.end = (u_char *) p + size; // 设置可分配内存的终止处
p->d.next = NULL;
p->d.failed = 0; // 内存分配失败次数
size = size - sizeof(ngx_pool_t); // 设置小块内存可分配的最大值(小于 4095)
p->max = (size < NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : NGX_MAX_ALLOC_FROM_POOL;
p->current = p; // 设置起始分配内存池
p->chain = NULL;
p->large = NULL;
p->cleanup = NULL;
p->log = log;
return p;
}
内存池创建后的结构逻辑如图所示:
内存申请
申请的内存块以 max 作为区分
void *
ngx_palloc(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
#if !(NGX_DEBUG_PALLOC)
if (size <= pool->max) {
return ngx_palloc_small(pool, size, 1);
}
#endif
return ngx_palloc_large(pool, size);
}
小块内存申请
current 指向每次申请内存时开始检索分配的小块内存池,而 ngx_palloc_small 的参数 pool 在内存池没有回收时,是固定不变的。
static ngx_inline void *
ngx_palloc_small(ngx_pool_t *pool, size_t size, ngx_uint_t align)
{
u_char *m;
ngx_pool_t *p;
p = pool->current; // 从 current 处开始分配合适的内存
do {
m = p->d.last;
if (align) { // 是否需要内存对齐
m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
}
// 当前小块内存池的剩余容量满足申请的内存
if ((size_t) (p->d.end - m) >= size) {
p->d.last = m + size;
return m; // 一旦满足分配直接退出
}
p = p->d.next; // 不满足的情况下寻找下一个小块内存池
} while (p);
return ngx_palloc_block(pool, size); // 没有满足分配的内存池,再申请一个小块内存池
}
当在小块内存池中找到了合适的内存后的结构如下:
当没有小块内存池满足申请时,会再申请一个小块内存池来满足分配,在设置完 last 和 end 两个内存指示器后,对从 current 开始的内存池成员 failed 进行自增操作,并且当这个内存池的 failed 分配次数大于 4 时,表面这个内存分配失败的次数太多,根据经验应该下一次分配可能还是失败,所以直接跳过这个内存池,移动 current。
新的内存块插入至内存池链表的尾端。
#define NGX_ALIGNMENT sizeof(unsigned long) // 8
static void *
ngx_palloc_block(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
u_char *m;
size_t psize;
ngx_pool_t *p, *new;
psize = (size_t) (pool->d.end - (u_char *) pool); // 每一个内存池的大小都相同
m = ngx_memalign(NGX_POOL_ALIGNMENT, psize, pool->log); // 16 字节对齐申请
if (m == NULL) {
return NULL;
}
new = (ngx_pool_t *) m;
new->d.end = m + psize;
new->d.next = NULL;
new->d.failed = 0;
m += sizeof(ngx_pool_data_t);
m = ngx_align_ptr(m, NGX_ALIGNMENT);
new->d.last = m + size;
for (p = pool->current; p->d.next; p = p->d.next) {
if (p->d.failed++ > 4) {
pool->current = p->d.next;
}
}
p->d.next = new; // 尾插法插入至链表末端
return m;
}
分配一块内存池后逻辑结构如下:
大块内存申请
大块内存是通过 large
连接的,并且都属于 ngx_create_pool 返回的 ngx_pool_t 结构。malloc 分配的内存由一个 ngx_pool_large_t 节点来挂载,而这个 ngx_pool_large_t 节点又是从小块内存池中分配的。
- 为避免large链表长度过大导致在遍历寻找空闲挂载节点耗时过长,限制了遍历的节点为3,如果没有满足要求则直接分配
- 头插法 插入至large链表中,新的节点后面也是最先被访问
static void *
ngx_palloc_large(ngx_pool_t *pool, size_t size)
{
void *p;
ngx_uint_t n;
ngx_pool_large_t *large;
p = ngx_alloc(size, pool->log); // 调用 malloc
if (p == NULL) {
return NULL;
}
n = 0;
for (large = pool->large; large; large = large->next) { // 从large 中链表中找到 alloc 为 NULL 的节点,将分配的内存挂在该节点上
if (large->alloc == NULL) {
large->alloc = p;
return p;
}
if (n++ > 3) { // 为了避免过多的遍历,限制次数为 0
break;
}
}
// 当遍历的 ngx_pool_large_t 节点中 alloc 都有指向的内存时,从小块内存中分配一个 ngx_pool_large_t 节点用于挂载新分配的大内存
large = ngx_palloc_small(pool, sizeof(ngx_pool_large_t), 1);
if (large == NULL) {
ngx_free(p);
return NULL;
}
large->alloc = p;
large->next = pool->large; // 头插法 插入至大块内存链表中
pool->large = large;
return p;
}
第一次大块内存分配后的结构如下:
完整内存池结构逻辑
- 所有的内存池结构都通过 d.next 连接
- 前两个内存池结构的 current 都指向第三个内存池结构
- 所有的 ngx_pool_large_t 节点都是从小内存池中分配的
- 所有的 ngx_pool_large_t 节点都是连接在首个内存池结构上的
- ngx_pool_large_t 节点的 alloc 被释放但 ngx_pool_large_t 节点不回收
总结
ngx_pool_t 内存分配方面
- 通过 current 和 d.next 来访问其他的内存池结构
- 插入方式
- 小块内存池通过尾插法插入至内存池链表的尾端
- 大块内存通过头插法插入至large链表的首部
- 限制次数
- 小内存分配失败(failed)次数大于4次后就不再作为分配内存的池子了
- 大内存只寻找 large 链表中前三节点是否可以挂载新分配的内存
- 内存对齐,多处内存对齐减少内存跨 cache 的数量
其实总体而言这是一个比较简单的内存池了,还是有一些内存浪费的地方,限制次数
可以说明这个情况,不过这也是在简单、高效和内存分配上的一个平衡了